211service.com
Hersenchips geven verlamde patiënten nieuwe krachten
Neurowetenschappers dromen van het maken van neurale protheses waarmee verlamde patiënten de controle over hun armen en benen terug kunnen krijgen. Hoewel dat doel nog ver weg is, melden onderzoekers van de Brown University en het Massachusetts General Hospital een veelbelovende stap voorwaarts.
Matthew Nagle, een 25-jarige man die in 2001 verlamd raakte na een meswond, was de eerste persoon die een chirurgisch geïmplanteerde elektrode-array uittestte. (Krediet: Joshua Paul.)
In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuur deze week beschrijven de onderzoekers hoe twee verlamde patiënten met een chirurgisch geïmplanteerd neuraal apparaat met succes een computer en in één geval een robotarm bestuurden - alleen met hun verstand.
[Klik hier om video's van de patiënt te zien een computercursor besturen en een prothetische hand .]
Het is de eerste keer dat dergelijke resultaten zijn bereikt met neurale implantaten bij mensen. De onderzoekers zijn het experimentele systeem nu aan het verfijnen tot een commercieel product - een product dat patiënten in hun dagelijks leven zou kunnen helpen. Ze zijn van plan het apparaat draadloos en volledig implanteerbaar te maken en de snelheid en complexiteit van bewegingen die patiënten met het implantaat kunnen uitvoeren, te verbeteren.
Het is een baanbrekend onderzoek omdat het laat zien dat je zelfs jaren na een blessure nog steeds nuttige signalen uit de hersenen kunt opnemen en deze kunt gebruiken om een apparaat aan te sturen, zegt Joseph Pancrazio , programmadirecteur voor onderzoek naar neurale engineering bij de National Institutes for Neurological Disorders and Stroke in Bethesda, MD. Deze groep heeft echt de grens verlegd.
Tijdens ruggenmergletsels en sommige soorten beroertes is het informatiesysteem tussen de hersenen en de spieren verstoord. Neurale apparaten, zoals degene die in het onderzoek werden gebruikt, zijn bedoeld om bestaande signalen op te nemen en te verwerken en deze te gebruiken om een computercursor, robotarm of zelfs verlamde ledematen te besturen. De Brown/MGH-onderzoekers implanteerden voor het eerst een hersenchip in een mens in juni 2004. En hoewel er sindsdien tekenen van succes zijn, Natuur paper is de eerste peer-review publicatie waarin in detail wordt beschreven wat verlamde patiënten met het implantaat kunnen doen. ( Technologie beoordeling rapporteerde vorig jaar over Donoghue's werk met Nagle, in Implanting Hope, maart 2005.)
De hersen-computerinterface die in het onderzoek werd gebruikt, gemaakt door Cyberkinetiek Neurotechnology Systems in Foxborough, MA, bestaat uit een kleine siliciumchip met 100 elektroden die signalen opnemen van honderden neuronen in de motorische cortex. Een computeralgoritme vertaalt dit complexe activiteitspatroon vervolgens in een signaal dat wordt gebruikt om een extern apparaat te besturen.
De eerste patiënt bij wie het apparaat werd geïmplanteerd, een 25-jarige man die verlamd raakte na een meswond in 2001, leerde met succes een computercursor te besturen, behendig door een e-mailprogramma te bewegen en de computer te gebruiken om een televisie aan te zetten en verander het kanaal. Toen het apparaat was aangesloten op een robothand, leerde hij snel de hand te beheersen door een snoepje op te pakken en in de hand van een technicus te laten vallen. Het was spannend omdat hij dat heel snel oppikte – ongeveer tien minuten, zegt John Donoghue , senior wetenschapper van het project, oprichter van Cyberkinetics, en een neurowetenschapper aan de Brown University in Providence, RI. (Klik hier om een video te zien van de patiënt die een computercursor en een prothetische hand bedient.)
Twee andere patiënten in de proef, beide met verschillende soorten verwondingen, leerden ook een computerprogramma te manipuleren, hoewel ze de robotarm nog niet hebben geprobeerd. De resultaten laten zien dat het haalbaar is om deze apparaten in een echte wereldomgeving te gebruiken, maar we hebben nog een lange weg te gaan voordat we ze dagelijks kunnen gebruiken, zegt Donohue.
Neurowetenschappers gebruiken al enkele jaren soortgelijke apparaten bij apen en andere dieren, maar de proef van Donohue is de eerste die chirurgisch geïmplanteerde elektrode-arrays bij menselijke patiënten test. Het is een grote stap om deze technologie bij mensen te introduceren, zegt Stephen Scott , een neurowetenschapper aan de Queen's University in Kingston, Ontario, die een commentaar bij de krant schreef. Dit was behoorlijk succesvol voor een eerste poging - de patiënten toonden indrukwekkende capaciteiten.
Hoewel de resultaten veelbelovend zijn, waarschuwen experts dat de technologie zich nog in een vroeg stadium bevindt. Dit is nog verre van een nuttig apparaat dat de kwaliteit van leven van deze patiënt daadwerkelijk verhoogt, zegt Andrew Schwartz , een neurowetenschapper aan de Universiteit van Pittsburg die soortgelijke apparaten bij dieren bestudeert. Dezelfde technologie werkt beter bij apen, wat suggereert dat er meer werk moet worden verzet bij het ontwerpen van de opname-elektroden en softwarefilters, zegt hij.
Momenteel zijn beschikbare hulpmiddelen voor verlamde patiënten, zoals computerprogramma's die worden geactiveerd door stem- of oogbewegingen, afhankelijk van een secundair signaal om de opdracht uit te voeren en vereisen zowel een trainingsperiode als een hoge mate van concentratie. Een geïmplanteerd apparaat heeft het potentieel om patiënten op een veel natuurlijkere manier te helpen. Het maakt gebruik van alle informatie die de hersenen gebruiken om [de spieren] te bewegen, zegt Donoghue. Omdat het het normale verwerkingssysteem van de hersenen nabootst, kunnen patiënten een cursor besturen en tegelijkertijd praten, zegt hij.
Donoghue en collega's passen het experimentele systeem nu aan tot een apparaat voor breder gebruik. Het huidige systeem heeft draden die het implantaat via de schedel verbinden met een externe computer, wat het risico op infectie met zich meebrengt. De onderzoekers zijn van plan de hardware te miniaturiseren en draadloos te maken, zodat het hele systeem kan worden geïmplanteerd.
Het team ontwikkelt ook nieuwe analysesoftware, waarvan ze hopen dat deze meer geavanceerde bewegingsvormen mogelijk zal maken. Momenteel kunnen patiënten navigeren door een e-mailprogramma of grove bewegingen maken met een robotarm; maar ze kunnen geen complexere taken uitvoeren, zoals de robotarm gebruiken om op een toetsenbord te typen of een kom soep te eten.
Om zulke gecompliceerde bewegingen uit te voeren, moeten wetenschappers eerst een betere decoder maken, het algoritme dat de neurale signalen van de hersenen interpreteert. Wanneer de hersenen zich voorbereiden om bijvoorbeeld een hand van links naar rechts te bewegen, vuren miljoenen neuronen in de motorische cortex van de hersenen op een specifieke manier. De onderzoekers genereren de decoder door patiënten te vragen zich voor te stellen dat ze hun hand in een cirkel bewegen, waardoor neuronen gaan vuren alsof het verlamde ledemaat in beweging is. Een computerprogramma registreert en verwerkt deze informatie, en creëert uiteindelijk een filter dat de daaropvolgende neuronale activiteit vertaalt in de gewenste acties.
Maar het filter heeft nog steeds een veel beperkter vermogen om informatie te vertalen dan de hersenen. Het gebruikt gegevens van honderden neuronen in plaats van miljoenen en verzamelt informatie uit een enkel deel van de hersenen. Donohue en collega's ontwikkelen nu verschillende soorten algoritmen om te zien welke het meest aanpasbaar zijn en het beste gebruik maken van de beschikbare neurale signalen.
We kunnen verschillende algoritmen testen en patiënten kunnen ons vertellen welke het gemakkelijkst zijn of het meest natuurlijk aanvoelen, zegt Leigh Hochberg, een neuroloog in het Massachusetts General Hospital en hoofdauteur van het onderzoek. Ik vermoed dat als we de decodering van slechts een klein gebied kunnen blijven verbeteren en misschien vanuit meerdere hersengebieden kunnen opnemen, we misschien in staat zullen zijn om de verscheidenheid aan controlesystemen die voor mensen beschikbaar zijn, verder te verbeteren.
Andere wetenschappers ontwikkelen ook manieren om herseninterfaces veel sneller te maken. Voor een patiënt kan dat het verschil betekenen tussen moeite hebben met het schrijven van een e-mail of het opstellen van een e-mail met weinig moeite. Werken met primaten, Krishna Shenoy en collega's van de Stanford University in Stanford, CA, waren in staat om de informatieoverdracht te verviervoudigen met een vergelijkbaar implantaat, maar met opname vanuit een ander deel van de hersenen. Voor een mens zou dat zich vertalen in het typen van 15 woorden per minuut in plaats van slechts vier.
Donoghue is uiteindelijk van plan zijn systeem aan te passen om een nog grotere prestatie te leveren. Het team werkt samen met wetenschappers van de Case Western Reserve University in Cleveland, OH, om een apparaat te maken dat signalen van de hersenen gebruikt om verlamde spieren elektrisch te stimuleren, waardoor patiënten mogelijk hun ledematen kunnen bewegen.
Het is niet verrassend dat dit is wat mensen het meest willen. Toen Donoghue een patiënt vroeg of hij liever verfijnde bewegingen zou kunnen maken met een prothetische arm of grove bewegingen met zijn eigen arm, koos hij voor het laatste. Het idee om zijn eigen lichaam te reanimeren was veel belangrijker dan hoe geavanceerd de beweging zou kunnen zijn, zegt Donoghue.